АКБ или аккумуляторные батареи – это оборудование, которое состоит из нескольких аккумуляторов. Оно может накапливать, хранить и расходовать энергию. Благодаря обратимости химических процессов, происходящих внутри аккумулятора, такие устройства могут заряжаться и разряжаться многократно.
Сфера применения аккумуляторов весьма обширна. Они применяются в автомобилях и различной бытовой технике, например, в пультах ДУ и ноутбуках. Но также и в качестве резервных источников питания в медицинской сфере, производстве, космической отрасли, дата-центрах.
Виды и типы АКБ
Сегодня производят около 30 типов аккумуляторов. Такое большое количество обуславливается возможностью применять в качестве электродов и электролитов различные химические элементы. Именно от материала электрода и состава электролита зависят все характеристики аккумулятора.
Мы не будем приводить все типы, а лишь дадим небольшую таблицу с описанием наиболее распространенных:
Устройство
1 — Отрицательный электрод
2 — Разделительный слой
3 — Положительные электроды
4 — Отрицательный контакт
5 — Предохранительный клапан
6 — Положительные электроды
7 — Положительный контакт
Аккумуляторные батареи состоят из нескольких банок аккумуляторов, соединенных либо параллельно, либо последовательно. Последовательное соединение применяют в целях увеличения напряжения, а параллельное для увеличения силы тока.
Каждый из отдельно взятого аккумулятора в АКБ состоит из двух электродов и электролита, помещенных в корпус из специального материала.
Электрод с отрицательным зарядом – анод, с положительным зарядом – катод. Анод содержит восстановитель, катод – окислитель. Внутри корпуса аккумулятора стоит разделительная пластина, которая не позволяет электродам замыкаться.
Электролит – водный раствор, в который погружены оба электрода.
При разрядке аккумулятора восстановитель анода начинает окисляться и выделяются электроны. Электроны затем попадают в электролит и оттуда движутся к катоду, при этом создавая разрядный ток. Попадая в катод электроны восстанавливают его окислитель. Простыми словами можно описать процесс так: электроны идут от отрицательного электрода к положительному и создают разрядный ток.
При зарядке аккумулятора электроды меняются своим химическим составом и происходит обратная реакция. Электроны здесь двигаются от положительного анода к отрицательному катоду.
Особенности разных типов АКБ
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Разработан Гастоном Планте в 19 веке. Эти аккумуляторные батареи сегодня наиболее актуальны благодаря дешевизне и универсальности. Сфера их применения обширна ввиду большого количества разновидностей этого типа. В качестве отрицательно заряженных электродов здесь используется оксид свинца. Положительные электроды выполняются из свинца. Электролит – серная кислота.
У свинцовых-кислотных батарей есть следующие разновидности:
- LA – аккумуляторы с напряжением 6 или 12 Вольт. Традиционное устройство для осуществления запуска двигателей автомобилей. Требуют постоянного обслуживания и вентиляции.
- VRLA – напряжением 2, 4, 6 или 12 Вольт. Клапанно-регулируемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. Как видно из названия этот АКБ укомплектован разгрузочным клапаном. Его роль – минимизировать выделение газа и расход воды. Такие батареи можно устанавливать в жилых помещениях.
- AGM VRLA – как и предыдущий тип оснащен клапаном, но имеет совсем другие свойства. В аккумуляторах, сделанных по технологии AGM роль сепаратора играет стекловолокно. Его микропоры пропитаны жидким электролитом. Такие АКБ не требуют обслуживания и устойчивы к вибрациям.
- GEL VRLA – подвид свинцово-кислотных аккумуляторов с гелеобразным электролитом. Благодаря этому увеличен их ресурс заряда/разряда. Не требуют обслуживания.
- OPzV – герметичные аккумуляторы используемые в области телекоммуникации и для аварийного освещения. Электролит, как и в предыдущем случае гелевый. В электродах содержится кальций, благодаря которому срок службы такого типа батарей – 20 лет.
- OPzS – катод таких аккумуляторов имеет трубчатую структуру. Это существенно повышает циклический ресурс этого типа батарей. Служит также около 20 лет. Выпускается в виде АКБ с напряжением от 2 до 125 В.
Литий-ионные аккумуляторы
Был впервые выпущен Sony в 1991 году и с тех пор активно применяется в бытовой технике, электронных устройствах. Практически все мобильные телефоны, ноутбуки, фотоаппараты и видеокамеры оснащены таким видом батарей. Роль катода здесь играет литий-ферро-фосфатная пластина. Отрицательный анод – каменноугольный кокс. Положительный ион лития переносит заряд в таких батареях. Он может проникать в кристаллическую решетку других материй и образовывать с ними химическую связь. Преимуществом этого типа является высокая энергоемкость, низкий саморазряд и отсутствие нужды в обслуживании.
Литий-ионные аккумуляторные батареи также, как и их свинцовые аналоги имеют большое количество подтипов. В данном случае подтипы отличаются между собой составом катода и анода. Напряжение литий-ионных аккумуляторов варьируется в пределах от 2,4 до 3,7 В.
Одним из самых известных подтипов является литий-полимерные аккумуляторные батареи. Они появились сравнительно недавно и быстро завоевал популярность. Она обусловлена тем, что в литий-полимерных батареях используется твердый полимерный электролит. Это позволяет создавать батареи любой формы. При этом стоимость этих батарей всего лишь на 15% выше обычных литий-ионных.
Добрый день всем новичкам. Сегодня речь пойдет про аккумуляторы напряжения. Аккумуляторами называют химические источники тока, в которых в последствии обратимых химических реакций внутреняя энергия превращается в электрическую. Именно из-за обратимости данной реакции, аккумуляторы можно заряжать и разряжать. Аккумуляторы созданы для накопления электрического тока и нашли широкое применение в самых разных областях. Без них трудно представить нашу жизнь, они везде окружают нас. предназначены для многократного использования и имеют достаточно большой срок службы. Простейший аккумулятор - это два электрода которые сделаны из разных металлов и поглощены в раствор электролита (кислоты). Один из электродов называют катодом, а другой анодом.
В практике чаще всего применяют свинцовые и литиевые аккумуляторы. Свинцовый аккумулятор выполнен из двух свинцовых пластинок которые поглощены в серную кислоту. Аккумулятор имеют разное напряжение, например один блок (банка) свинцового аккумулятора дает напряжение 2 вольта, один блок литий-ионного аккумулятора - 3,7 вольт, - 1,2 вольт. Создателем первого аккумулятора считают Алессандро Вольту (от его фамилии образовалось значение величины напряжения - вольт). Вольтов столб имел простую конструкцию - медные и цньковые кружки, а между ними кусок ватты смоченный в растворе воды и поваренной соли. Сегодня существует огромное количество разновидностей аккумуляторов тока, полный их список приведен в конце статьи.
Аккумуляторы делаются разных мощностей и напряжения, в зависимости от потребления устройства для которого они предназначены. Напряжение аккумуляторов измеряется в вольтах, сила тока амперами, а мощность - ваттами. Например если известно, что сила тока аккумулятора 10 ампер/час, а напряжение 6 вольт, и нужно узнать его мощность, то по закону Ома получаем 6 вольт * 10 ампер = 60 ватт. Таким образом можно зная два параметра можно легко узнать третий. Приходит время, когда аккумулятор разряжается. По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток аккумулятора падают, аккумулятор перестаёт работать. Зарядить аккумулятор можно от любого источника постоянного или импульсного тока. Стандартным считается зарядный ток в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер/часах).
Обсудить статью ВИДЫ АККУМУЛЯТОРОВ
Аккумуляторная батарея – это источник постоянного тока, который предназначен для накопления и хранения энергии. Подавляющее число типов аккумуляторных батарей основано на циклическом преобразовании химической энергии в электрическую, это позволяет многократно заряжать и разряжать батарею.
Еще в 1800 году Алессандро Вольта произвел поразительное открытие, когда опустил в банку, наполненную кислотой, две металлические пластины – медную и цинковую, после чего доказал, что по соединяющей их проволоке протекает электрический ток. Спустя более чем 200 лет, современные аккумуляторные батареи продолжают производить на основе открытия Вольта.
Виды аккумуляторных батарей
Со времени изобретения первого аккумулятора прошло не больше 140 лет и сейчас сложно представить современный мир без резервных источников питания на основе батарей. Аккумуляторы применяются всюду, начиная с самых безобидных бытовых устройств: пульты управления, переносные радиоприемники, фонари, ноутбуки, телефоны, и заканчивая системами безопасности финансовых учреждений, резервными источниками питания для центров хранения и передачи данных, космической отраслью, атомной энергетикой, связью и т. д.
Развивающийся мир нуждается в электрической энергии столь сильно, сколько человеку нужен кислород для жизни. Поэтому конструкторы и инженеры ежедневно ведут работу по оптимизации имеющихся типов аккумуляторов и периодически разрабатывают новые виды и подвиды.
Основные виды аккумуляторов приведены в таблице №1.
|
Применение |
Обозначение |
Рабочая температура, ºC |
Напряжение элемента, В |
Удельная энергия, Вт∙ч/кг |
|
|
Литий-ионный (Литий-полимерный, литий-марганцевый, литий-железно-сульфидный, литий-железно-фосфатный, литий-железо-иттрий-фосфатный, литий-титанатный, литий-хлорный, литий-серный) |
Транспорт, телекоммуникации, системы солнечной энергии, автономное и резервное электроснабжение, Hi-Tech, мобильные источники питания, электроинструмент, электромобили и т.д. |
Li-Ion (Li-Co, Li-pol, Li-Mn, LiFeP, LFP, Li-Ti, Li-Cl, Li-S) |
|||
|
никель-солевой |
Автомобильный транспорт, Ж\Д транспорт, Телекоммуникации, Энергетика, в том числе альтернативная, Системы накопления энергии |
||||
|
никель-кадмиевый |
Электрокары, речные и морские суда, авиация |
||||
|
железо-никелевый |
Резервное электропитание, тяговые для электротранспорта, цепи управления |
||||
|
никель-водородный |
|||||
|
никель-металл-гидридный |
электромобили, дефибрилляторы, ракетно-космическая техника, системы автономного энергоснабжения, радиоаппаратура, осветительная техника. |
||||
|
никель-цинковый |
Фотоаппараты |
||||
|
свинцово-кислотный |
Системы резервного питания, бытовая техника, ИБП, альтернативные источники питания, транспорт, промышленность и т.д. |
||||
|
серебряно-цинковый |
Военная сфера |
||||
|
серебряно-кадмиевый |
Космос, связь, военные технологии |
||||
|
цинк-бромный |
|||||
|
цинк-хлорный |
Таблица №1. Классификация аккумуляторных батарей.
Исходя из приведенных данных в таблице №1, можно прийти к выводу, что существует достаточно много видов аккумуляторов, отличных по своим характеристикам, которые оптимизированы для применения в разнообразных условиях и с различной интенсивностью. Применяя для производства новые технологии и компоненты, ученым удается достигать нужных характеристик для конкретной области применения, к примеру, для космических спутников, космических станций и другого космического оборудования были разработаны никель-водородные аккумуляторы. Конечно, в таблице приведены далеко не все типы, а лишь основные, которые получили распространение.
Современные системы резервного и автономного электропитания для промышленного и бытового сегмента основаны на разновидностях свинцово-кислотных, никель-кадмиевых (реже применяются железо-никелевый тип) и литий-ионных аккумуляторах, поскольку эти химические источники питания безопасны и имеют приемлемые технические характеристики и стоимость.
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи
Этот тип является самым востребованным в современном мире по причине универсальных особенностей и невысокой стоимости. Благодаря наличию большого количества разновидностей, свинцово-кислотные аккумуляторы применяется в областях систем резервного питания, системах автономного электроснабжения, солнечных электростанций, ИБП, различных видах транспорта, связи, системах безопасности, различных видах портативных устройств, игрушках и т. д.
Принцип действия свинцово-кислотных батарей
Основа работы химических источников питания основана на взаимодействии металлов и жидкости – обратимой реакции, которая возникает при замыкании контактов положительных и отрицательных пластин. Свинцово-кислотные аккумуляторы, как понятно из названия, состоят из свинца и кислоты, где положительно заряженными пластинами является свинец, а отрицательно заряженными – оксид свинца. Если подключить к двум пластинам лампочку, цепь замкнется и возникнет электрический ток (движение электронов), а внутри элемента возникнет химическая реакция. В частности, происходит коррозия пластин батареи, свинец покрывается сульфатом свинца. Таким образом, в процессе разряда аккумулятора на всех пластинах будет образовываться налет из сульфата свинца. Когда аккумулятор полностью разряжен, его пластины покрыты одинаковым металлом – сульфатом свинца и имеют практически одинаковый заряд относительно жидкости, соответственно, напряжение батареи будет очень низким.
Если к батарее подключить зарядное устройство к соответствующим клеммам и включить его, ток будет протекать в кислоте в обратном направлении. Ток будет вызывать химическую реакцию, молекулы кислоты – расщепляться и за счет этой реакции будет происходить удаление сульфата свинца с положительных и отрицательных пластилин батареи. В финальной стадии зарядного процесса пластины будут иметь первозданный вид: свинец и оксид свинца, что позволит им снова получить разный заряд, т. е. батарея будет полностью заряжена.
Однако на практике все выглядит немного иначе и пластины электродов очищаются не полностью, поэтому аккумуляторы имеют определенный ресурс, по достижении которого емкость снижается до 80-70% от изначальной.
Рисунок №3. Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора (VRLA).
Типы свинцово-кислотных батарей
Lead–Acid , обслуживаемые – 6, 12В батареи. Классические стартерные аккумуляторы для двигателей внутреннего сгорания и не только. Нуждаются в регулярном обслуживании и вентиляции. Подвержены высокому саморазряду.
Valve Regulated Lead–Acid (VRLA) , необслуживаемые – 2, 4, 6 и 12В батареи. Недорогие аккумуляторы в герметизированном корпусе, которые можно использовать в жилых помещениях, не требуют дополнительной вентиляции и обслуживания. Рекомендованы для использования в буферном режиме.
Absorbent Glass Mat Valve Regulated Lead–Acid (AGM VRLA) , необслуживаемые – 4, 6 и 12В батареи. Современные аккумуляторы свинцово-кислотного типа с абсорбированным электролитом (не жидкий) и стекловолоконными разделительными сепараторами, которые значительно лучше сохраняют свинцовые пластины, не давая им разрушаться. Такое решение позволило значительно снизить время заряда AGM батарей, поскольку зарядный ток может достигать 20-25, реже 30% от номинальной емкости.
Аккумуляторы AGM VRLA имеют множество модификаций с оптимизированными характеристиками для циклического и буферного режимов работы: Deep – для частых глубоких разрядов, фронт-терминальные – для удобного расположения в телекоммуникационных стойках, Standard – общего назначения, High Rate – обеспечивают лучшую разрядную характеристику до 30% и подходят для мощных источников бесперебойного питания, Modular – позволяют создавать мощные батарейные кабинеты и т. д.
Рисунок №4.
GEL Valve Regulated Lead–Acid (GEL VRLA) , необслуживаниемые – 2, 4, 6 и 12В батареи. Одна из последних модификаций свинцово-кислотного типа аккумуляторов. Технология основана на применение гелеобразного электролита, который обеспечивает максимальный контакт с отрицательными и положительными пластинами элементов и сохраняет однообразную консистенцию по всему объему. Данный тип аккумуляторов требует «правильного» зарядного устройства, которое обеспечит требуемый уровень тока и напряжения, лишь в этом случае можно получить все преимущества по сравнению с AGM VRLA типом.
Химические источники питания GEL VRLA, как и AGM, имеют множество подвидов, которые наилучшим образом подходят для определенных режимов работы. Самыми распространенными являются серии Solar – используются для систем солнечной энергии, Marine – для морского и речного транспорта, Deep Cycle – для частых глубоких разрядов, фронт-терминальные – собраны в специальных корпусах для телекоммуникационных систем, GOLF – для гольф-каров, а также для поломоечных машин, Micro – небольшие аккумуляторы для частого использования в мобильных приложениях, Modular – специальное решение по созданию мощных аккумуляторных банков для накопления энергии и т. д.
Рисунок №5.
OPzV , необслуживаемые – 2В батареи. Специальные свинцово-кислотные элементы типа OPZV произведены с применением трубчатых пластин анода и сернокислотным гелеобразным электролитом. Анод и катод элементов содержат дополнительный металл – кальций, благодаря которому повышается стойкость электродов к коррозии и увеличивается срок службы. Отрицательные пластины – намазные, эта технология обеспечивает лучший контакт с электролитом.
Аккумуляторы OPzV устойчивы к глубоким разрядам и обладают длительным сроком службы до 22 лет. Как правило, для изготовления подобных элементов питания применяются только лучшие материалы, чтобы обеспечить высокую эффективность работы в циклическом режиме.
Применение OPzV аккумуляторов востребовано в телекоммуникационных установках, системах аварийного освещения, источниках бесперебойного питания, системах навигации, бытовых и промышленных системах накопления энергии и солнечной электрогенерации.
Рисунок №6.
Строение OPzV аккумулятора EverExceed.
OPzS , малообслуживаемые – 2, 6, 12В батареи. Стационарные заливные свинцово-кислотные аккумуляторы OPzS производятся с трубчатыми пластинами анода с добавлением сурьмы. Катод также содержит небольшое количество сурьмы и представляет собой намазной решетчатый тип. Анод и катод разделены микропористыми сепараторами, которые предотвращают короткое замыкание. Корпус аккумуляторов выполнен из специального ударопрочного, устойчивого к химическому воздействию и огню прозрачного пластика, а вентилируемые клапаны относятся к пожаробезопасному типу и обеспечивают защиту от возможного попадания пламени и искр.
Прозрачные стенки позволяют удобно контролировать уровень электролита при помощи отметок минимального и максимального значения. Специальная структура клапанов дает возможность без их снятия доливать дистиллированную воду и промерять плотность электролита. В зависимости от нагрузки, долив воды осуществляется раз в один – два года.
Аккумуляторные батареи типа OPzS обладают самыми высокими характеристиками среди всех других видов свинцово-кислотных батарей. Срок службы может достигать 20 – 25 лет и обеспечивать ресурс до 1800 циклов глубокого 80% разряда.
Применение подобных батарей необходимо в системах с требованиями среднего и глубокого разряда, в т.ч. где наблюдаются пусковые токи средней величины.
Рисунок №7.
Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов
Анализируя приведенные в таблице №2 данные, можно прийти к выводу, что свинцово-кислотные аккумуляторы обладают широким выбором моделей, которые подходят для различных режимов работы и условий эксплуатации.
|
AGM VRLA |
GEL VRLA |
|||||
|
Емкость, Ампер/час |
||||||
|
Напряжение, Вольт |
||||||
|
Оптимальная глубина разряда, % |
||||||
|
Допустимая глубина разряда, % |
||||||
|
Циклический ресурс, D.O.D.=50% |
||||||
|
Оптимальная температура, °С |
||||||
|
Диапазон рабочих температур, °С |
||||||
|
Срок службы, лет при +20°С |
||||||
|
Саморазряд, % |
||||||
|
Макс. ток заряда, % от емкости |
||||||
|
Минимальное время заряда, ч |
||||||
|
Требования к обслуживанию |
1 – 2 года |
|||||
|
Средняя стоимость, $, 12В/100Ач. |
Таблица №2. Сравнительные характеристики по видам свинцово-кислотных батарей.
Для анализа использовались усредненные данные более чем 10-ти производителей батарей, продукция которых представлена на рынке Украины в течение длительного времени и успешно применяется во многих областях (EverExceed, B.B. Battery, CSB, Leoch, Ventura, Challenger, C&D Techologies, Victron Energy, SunLight, Troian и другие).
Литий-ионные (литиевые) аккумуляторные батареи
История прохождения происхождения уходит в 1912 год, когда Гилберт Ньютон Льюис работал над вычислением активностей ионов сильных электролитов и проводил исследования электродных потенциалов целого ряда элементов, включая литий. С 1973 года работы были возобновлены и в результате появились первые элементы питания на основе лития, которые обеспечивали только один цикл разряда. Попытки создать литиевый аккумулятор затруднялись активностью свойств лития, которые при неправильных режимах разряда или заряда вызывали бурную реакцию с выделением высокой температуры и даже пламени. Компания Sony выпустила первые мобильные телефоны с подобными аккумуляторами, но была вынуждена отозвать продукцию обратно после нескольких неприятных инцидентов. Разработки не прекращались и в 1992 году появились первые «безопасные» аккумуляторы на основе ионов лития.
Аккумуляторы литий-ионного типа обладают высокой плотностью энергии и благодаря этому при компактном размере и легком весе обеспечивают в 2-4 раза большую емкость по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Несомненно, большим достоинством литий-ионных батарей является высокая скорость полной 100% перезарядки в течение 1-2 часов.
Li-ion батареи получили широкое применение в современной электронной технике, автомобилестроении, системах накопления энергии, солнечной генерации электроэнергии. Крайне востребованы в высокотехнологичных устройствах мультимедиа и связи: телефонах, планшетных компьютерах, ноутбуках, радиостанциях и т. д. Современный мир сложно представить без источников питания литий-ионного типа.
Принцип действия литиевых (литий-ионных) батарей
Принцип работы заключается в использовании ионов лития, которые связаны молекулами дополнительных металлов. Обычно, в дополнение к литию применяются литийкобальтоксид и графит. При разряде литий-ионного аккумулятора происходит переход ионов от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду) и наоборот при заряде. Схема аккумулятора предполагает наличие разделительного сепаратора между двумя частями элемента, это необходимо для предотвращения самопроизвольного перемещения ионов лития. Когда цепь аккумулятора замкнута и происходит процесс заряда или разряда, ионы преодолевают разделительный сепаратор стремясь к противоположно заряженному электроду.
Рисунок №8. Электрохимическая схема литий-ионного аккумулятора.
Благодаря своей высокой эффективности, литий-ионные аккумуляторы получили бурное развитие и множество подвидов, например, литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4). Ниже приведена графическая схема работы этого подтипа.
Рисунок №9. Электрохимическая схема процесса разряда и разряда LiFePO4 батареи.
Типы литий-ионных аккумуляторов
Современные литий-ионные аккумуляторы имеют множество подтипов, основная разница которых заключается в составе катода (отрицательно заряженного электрода). Также может изменяться состав анода для полной замены графита или использования графита с добавлением других материалов.
Различные виды литий-ионных аккумуляторов обозначаются по их химическому разложению. Для рядового пользователя это может быть несколько сложно, поэтому каждый тип будет описан максимально подробно, включая его полное название, химическое определение, аббревиатуру и краткое обозначение. Для удобства описания будет использоваться сокращенное название.
Литий кобальт оксид (LiCoO2) – Обладает высокой удельной энергией, что делает литий-кобальтовый аккумулятор востребованным в компактных высокотехнологичных устройствах. Катод батареи состоит из оксида кобальта, тогда как анод – из графита. Катод имеет слоистую структуру и во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду. Недостатком этого типа является относительно короткий срок службы, невысокая термическая стабильность и лимитированная мощность элемента.
Литий-кобальтовые батареи не могут разряжаться и заряжаться током, превосходящим номинальную емкость, поэтому аккумулятор с емкостью 2,4Ач может работать с током 2,4А. Если для заряда будет применяться большая сила тока, то это вызовет перегрев. Оптимальный зарядный ток составляет 0,8C, в данном случае 1,92А. Каждый литий-кобальтовый аккумулятор комплектуется схемой защиты, которая ограничивает заряд и скорость разряда и лимитирует ток на уровне 1C.
На графике (Рис. 10) отражены основные свойства литий-кобальтовых аккумуляторов с точки зрения удельной энергии или мощности, удельная мощность или способность обеспечивать высокий ток, безопасности или шансы воспламенения при высокой нагрузке, рабочая температура окружающей среды, срок службы и циклический ресурс, стоимость.
Рисунок №10.
Литий Оксид Марганца (LiMn2O4, LMO) – первая информация об использовании лития с марганцевыми шпинелями была опубликована в научных докладах 1983 года. Компания Moli Energy в 1996 году выпустила первые партии аккумуляторов на основе литий-оксид-марганца в качестве материала катода. Такая архитектура формирует трехмерные структуры шпинели, что улучшает поток ионов к электроду, тем самым снижая внутреннее сопротивление и повышая возможные токи заряда. Также преимущество шпинели в термической стабильности и повышенной безопасности, однако циклический ресурс и срок службы ограничен.
Низкое сопротивление обеспечивает возможность быстрого заряда и разряда литий-марганцевого аккумулятора с высоким током до 30А и кратковременно до 50А. Применяется для мощных электроинструментов, медицинского оборудования, а также гибридных и электрических транспортных средств.
Потенциал литий-марганцевых аккумуляторов примерно на 30% ниже по сравнению с литий-кобальтовыми батареями, однако эта технология обладает примерно на 50% лучшими свойствами, чем аккумуляторы на основе никелевых химических компонентов.
Гибкость конструкции позволяет инженерам оптимизировать свойства батареи и достичь длительного срока службы, высокой емкости (удельная энергия), возможности обеспечивать максимальный ток (удельная мощность). Например, с длительным сроком эксплуатации типоразмер элемента 18650 имеет емкость 1,1Ач, тогда как элементы, оптимизированные на повышенную емкость, – 1,5Ач, но при этом они имеют меньший срок службы.
На графике (Рис. 12) отраженны не самые впечатляющие характеристики литий-марганцевых аккумуляторов, однако современные разработки позволили существенно повысить эксплуатационных характеристики и сделать этот тип конкурентным и широко применяемым.
Рисунок №11.
Современные аккумуляторы литий-марганцевого типа могут производиться с добавлениями других элементов – литий-никель-марганец-кобальт оксид (NMC), подобная технология существенно продлевает срок службы и повышает показатели удельной энергии. Этот состав привносит лучшие свойства из каждой системы, так называемые LMO (NMC) применяются для большинства электромобилей, таких как Nissan, Chevrolet, BMW и т. д.
Литий-Никель-Марганец-Кобальт оксид (LiNiMnCoO2 или NMC) – ведущие производители литий-ионных батарей сосредоточились на сочетании никеля-марганца-кобальта в качестве материалов катода (NMC). Похожий на литий-марганцевый тип, эти аккумуляторы могут быть адаптированы для достижения показателей высокой удельной энергии или высокой удельной мощности, однако, не одновременно. К примеру, элемент NMC типа 18650 в состоянии умеренной нагрузки имеет емкость 2,8Ач и может обеспечить максимальный ток 4-5А; NMC элемент, оптимизированный к параметрам повышенной мощности, имеет всего 2Втч, но может обеспечить непрерывный ток разряда до 20А. Особенность NMC заключается в сочетании никеля и марганца, в качестве примера можно привести поваренную соль, в которой основные ингредиенты натрий и хлорид, которые в отдельности являются токсичными веществами.
Никель известен своей высокой удельной энергией, но низкой стабильностью. Марганец имеет преимущество формирования структуры шпинели и обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но при этом обладает низкой удельной энергией. Комбинируя эти два металла, можно получать оптимальные характеристика NMC аккумулятора для разных режимов эксплуатации.
NMC аккумуляторы прекрасно подходят для электроинструмента, электровелосипедов и других силовых агрегатов. Сочетание материалов катода: треть никеля, марганца и кобальта обеспечивают уникальные свойства, а также снижают стоимость продукта в связи с уменьшением содержания кобальта. Другие подтипы, как NCM, CMN, CNM, MNC и MCN имеют отличное соотношение тройки металлов от 1/3-1/3-1/3. Обычно, точное соотношение держится производителем в секрете.
Рисунок №12.
Литий-Железо-Фосфатные (LiFePO4) – в 1996 в университете штата Техас (и другими участниками) был применен фосфат в качестве катодного материала для литиевых аккумуляторов. Литий-фосфат предлагает хорошие электрохимические характеристики с низким сопротивлением. Это стало возможным с нано-фосфатом материала катода. Основными преимуществами являются высокий протекающий ток и длительный срок службы к тому же, хорошая термическая стабильность и повышенная безопасность.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы терпимее к полному разряду и менее подвержены «старению», чем другие литий-ионные системы. Также LFP более устойчивы к перезаряду, но как и в других аккумуляторах литий-ионного типа, перезаряд может вызвать повреждение. LiFePO4 обеспечивает очень стабильное напряжение разряда – 3,2В, это же позволяет использовать всего 4 элемента для создания батареи стандарта 12В, что в свою очередь позволяет эффективно заменять свинцово-кислотные батареи. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы не содержат кобальт, это существенно снижает стоимость продукта и делает его более экологически чистым. В процессе разряда обеспечивает высокий ток, а также может быть заряжен номинальным током всего за один час до полной емкости. Эксплуатация при низких температурах окружающей среды снижает производительность, а температура свыше 35ºС – несколько сокращается срок службы, но показатели намного лучше, чем у свинцово-кислотных, никель-кадмиевых или никель-металлогидридных аккумуляторов. Литий-фосфат имеет больший саморазряд, чем другие литий-ионные аккумуляторы, которые могут вызвать потребность балансировки батарейных кабинетов.
Рисунок №13.
Литий-Никель-Кобальт-Оксид Алюминия (LiNiCoAlO2) – литий-никель-кобальто-оксид алюминиевые батареи (NCA) появились в 1999 году. Этот тип обеспечивает высокую удельную энергию и достаточную удельную мощность, а также длительный срок службы. Однако существуют риски воспламенения, в следствие чего был добавлен алюминий, который обеспечивает более высокую стабильность электрохимических процессов, протекающих в аккумуляторе при высоких токах разряда и заряда.
Рисунок №14.
Литий-титанат (Li4Ti5O12) – аккумуляторы с анодами из литий-титаната были известны с 1980-х годов. Катод состоит из графита и имеет сходство с архитектурой типичной литий-металлической батареи. Литий-титанат имеет напряжение элемента 2,4В, может быть быстро заряжен и обеспечивает высокий разрядный ток 10C, который в 10 раз превышает номинальную емкость батареи.
Литий-титанатные аккумуляторы отличаются повышенным циклическим ресурсом по сравнению с другими Li-ion видами батарей. Обладают высокой безопасностью, а также способны работать при низких температурах (до –30ºC) без ощутимого снижения рабочих характеристик.
Недостаток заключается в достаточно высокой стоимости, а также в небольшом показателе удельной энергии, порядка 60-80Втч/кг, что вполне сопоставимо с никель-кадмиевыми аккумуляторами. Области применения: электрические силовые агрегаты и источники бесперебойного питания.
Рисунок №15.
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol, Li-polymer, LiPo, LIP, Li-poly) – литий полимерные аккумуляторы отличаются от литий-ионных тем, что в них используется специальный полимерный электролит. Возникший ажиотаж к этому виду батарей с 2000-х годов длится до сегодняшнего времени. Основан он не безосновательно, т. к. при помощи специальных полимеров удалось создать батарею без жидкого или гелеобразного электролита, это дает возможность создавать батареи практически любой формы. Но основная проблема заключается в том, что твердый полимерный электролит обеспечивает плохую проводимость при комнатной температуре, а лучшие свойства демонтирует в разогретом состоянии до 60°С. Все попытки ученых обнаружить решение этой задачи оказали тщетны.
В современных литий-полимерных батареях применяется небольшое количество гелевого электролита для лучшей проводимости при нормальной температуре. А принцип работы построен на одном из описанных выше типов. Самым распространенным является литий-кобальтовый тип с полимерным гелеобразным электролитом, который применяется в большинстве случаев.
Основная разница между литий-ионными аккумуляторами и литий-полимерными заключается в том, что микропористый полимерный электролит заменяется традиционным разделительным сепаратором. Литий-полимер имеет немного больший показатель удельной энергии и дает возможность создавать тонкие элементы, но стоимость на 10-30% выше, чем литий-ионных. Существенная разница есть и в структуре корпуса. Если для литий-полимерных применяется тонкая фольга, которая дается возможность создавать настолько тонкие элементы питания, что они похожи на кредитные карты, то литий-ионные собираются в жестком металлическом корпусе для плотной фиксации электродов.
Рисунок №17. Внешний вид Li-polymer аккумулятора для мобильного телефона.
Характеристики литий-ионных аккумуляторов
В таблице отсутствует максимальная емкость элементов, т. к. технология литий-ионных аккумуляторов не позволяет производить мощные отдельные элементы. Когда необходима высокая емкость или постоянный ток, батареи соединятся параллельно и последовательно при помощи перемычек. Состояние обязательно должна контролировать система батарейного мониторинга. Современные батарейные кабинеты для ИБП и солнечных электростанций на основе литиевых элементов могут достигать напряжения 500-700В постоянного тока с емкостью около 400А/ч, а также емкости 2000 – 3000Ач с напряжением 48 или 96В.
|
Параметр \ Тип |
||||||
|
Напряжение элемента, Вольт; |
||||||
|
Оптимальная температура, °С; |
||||||
|
Срок службы, лет при +20°С; |
||||||
|
Саморазряд в мес., % |
||||||
|
Макс. ток разряда |
||||||
|
Макс. ток заряда |
||||||
|
Минимальное время заряда, ч |
||||||
|
Требования к обслуживанию |
||||||
|
Уровень стоимости |
Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи
Изобретателем является шведский ученый Вальдемар Юнгнер, который запатентовал технологию производства никель кадмиевого типа в 1899 году. D 1990 году возник патентный спор с Эдисоном, который Юнгнер проиграл в силу того, что не владел таким средствами, как его оппонент. Компания «Ackumulator Aktiebolaget Jungner», основанная Вальдемаром, оказалась на грани банкротства, однако, сменив название на «Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner», предприятие все же продолжило свое развитие. В настоящее время предприятие, основанное разработчиком, носит название «SAFT AB» и производит одни из самых надежных никель-кадмиевых аккумуляторов в мире.
Никель-кадмиевые аккумуляторы относятся к очень долговечному и надежному типу. Существуют обслуживаемые и необслуживаемые модели с емкостью от 5 до 1500Ач. Обычно поставляются в виде сухо-заряженных банок без электролита с номинальным напряжением 1,2В. Несмотря на схожесть конструкции со свинцово-кислотными, никель- кадмиевые батареи имеют ряд существенных преимуществ в виде стабильной работы при температуре от –40°С, возможности выдерживать высокие пусковые токи, а также оптимизированы моделями для быстрого разряда. Ni-Cd батареи устойчивы к глубокому разряду, перезаряду и не требуют моментального заряда как свинцово-кислотный тип. Конструктивно производятся в ударопрочном пластике и хорошо переносят механические повреждения, не боятся вибрации и т.п.
Принцип действия никель-кадмиевых батарей
Щелочные аккумуляторы, электроды которых состоят из гидрата окиси никеля с добавлениями графита, окиси бария и порошкового кадмия. В качестве электролита, как правило, выступает раствор с 20%-ным содержанием калия и добавлением моногидрата лития. Пластины разделены изолирующими сепараторами во избежании замыкания, одна отрицательно заряженная пластина расположена между двумя положительно заряженными.
В процессе разряда никель-кадмиевой батареи происходит взаимодействие между анодом с гидратом окиси никеля и ионами электролита, образуя гидрат закиси никеля. В это же время катод из кадмия образует гидрат окиси кадмия, тем самым создавая разность потенциалов до 1,45В обеспечивая напряжение внутри аккумулятора и во внешней замкнутой цепи.
Процесс заряда никель-кадмиевых аккумуляторов сопровождается окислением активной массы анодов и переходом гидрата закиси никеля в гидрат окиси никеля. Одновременно катод восстанавливается с образованием кадмия.
Достоинством принципа действия никель-кадмиевой батареи является то, что все составляющие, которые образуются в процессе циклов разряда и заряда, почти не растворяются в электролите, а также не вступают в какие-либо побочные реакции.
Рисунок №16. Строение Ni-Cd аккумулятора.
Типы никель-кадмиевых аккумуляторов
В настоящее время батареи Ni-Cd используют чаще всего в промышленности, где требуется обеспечивать питанием разнообразные приложения. Некоторые производители предлагают несколько подвидов никель-кадмиевых аккумуляторов, которые обеспечивают наилучшую работу в определенных режимах:
время разряда 1,5 – 5 часов и более – обслуживаемые батареи;
время разряда 1,5 – 5 часов и более – необслуживаемые батареи;
время разряда 30 – 150 минут – обслуживаемые батареи;
время разряда 20 – 45 минут – обслуживаемые батареи;
время разряда 3 – 25 минут – обслуживаемые батареи.
Характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов
|
Параметр \ Тип |
Никель-кадмиевые / Ni-Cd |
|
Емкость, Ампер/час; |
|
|
Напряжение элемента, Вольт; |
|
|
Оптимальная глубина разряда, %; |
|
|
Допустимая глубина разряда, %; |
|
|
Циклический ресурс, D.O.D.=80%; |
|
|
Оптимальная температура, °С; |
|
|
Диапазон рабочих температур, °С; |
|
|
Срок службы, лет при +20°С; |
|
|
Саморазряд в мес., % |
|
|
Макс. ток разряда |
|
|
Макс. ток заряда |
|
|
Минимальное время заряда, ч |
|
|
Требования к обслуживанию |
Малообслуживаемые или необслуживанемые |
|
Уровень стоимости |
средняя (300 – 400$ 100Ач) |
Высокие технические характеристики делают этот тип аккумуляторных батарей очень привлекательным для решения производственных задач, когда требуется высоконадежный источник резервного питания с длительным сроком службы.
Никелево-железные аккумуляторные батареи
Впервые были созданы Вальдемаром Юнгнером в 1899 году, когда он пытался найти более дешевый аналог кадмию в составе никель-кадмиевых батарей. После долгих испытаний Юнгнер отказался от применения железа, т. к. заряд осуществлялся слишком медленно. Несколькими годами позднее, Томас Эдисон создал никель-железный аккумулятор, который осуществлял питание электромобилей «Baker Electric» и «Detroit Electric».
Дешевизна производства позволили никель-железным аккумуляторам стать востребованными в электротранспорте в качестве тяговых батарей, также применяются для электрификации пассажирских вагонов, питания цепей управления. В последние годы о никель-железных аккумуляторах заговорили с новой силой, т. к. они не содержат токсичных элементов вроде свинца, кадмия, кобальта и т. д. В настоящее время некоторые производители продвигают их для систем возобновляемой энергетики.
Принцип действия никелево-железных батарей
Аккумуляция электроэнергии происходит при помощи никель оксида-гидроксида, применяемого в качестве положительных пластин, железа – в качестве отрицательных пластин и жидкого электролита в виде едкого калия. Никелевые стабильные трубки или «карманы» содержат активное вещество
Никелево-железный тип очень надежный, т.к. выдерживает глубокие разряды, частые перезаряды, а также может находится в недозаряженном состоянии, что очень пагубно для свинцово-кислотных батарей.
Характеристики никелево-железных аккумуляторов
|
Параметр \ Тип |
Никель-кадмиевые / Ni-Cd |
|
Емкость, Ампер/час; |
|
|
Напряжение элемента, Вольт; |
|
|
Оптимальная глубина разряда, %; |
|
|
Допустимая глубина разряда, %; |
|
|
Циклический ресурс, D.O.D.=80%; |
|
|
Оптимальная температура, °С; |
|
|
Диапазон рабочих температур, °С; |
|
|
Срок службы, лет при +20°С; |
|
|
Саморазряд в мес., % |
|
|
Макс. ток разряда |
|
|
Макс. ток заряда |
|
|
Минимальное время заряда, ч |
|
|
Требования к обслуживанию |
Малообслуживаемые |
|
Уровень стоимости |
средняя, низкая |
Использованные материалы
Исследования компании Boston Consulting Group
Техническая документация ТМ Bosch, Panasonic, EverExceed, Victron Energy, Varta, Leclanché, Envia, Kokam, Samsung, Valence и других.
Аккумулятор представляет собой устройство, в котором происходит накопление и хранении энергии. Большинство таких приборов работает за счет преобразования электрической энергии в химическую и наоборот. Этот процесс позволяет заряжать и разряжать устройство. При этом оборудование может использоваться как зарядное устройство, источник питания, контролирующая или компенсационная установка.
Аккумуляторы необходимы для работы самых разных устройств, начиная от простых пультов для телевизора и заканчивая атомной энергетикой и космической отраслью. Все эти приборы подразделяются, в зависимости от разных технологических характеристик и особенностей использования. Работа аккумулятора характеризуется емкостью, напряжением, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы.
Какие бывают аккумуляторы? Все существующие приборы можно разделить на несколько видов:
- электрохимические;
- магнитные;
- механические;
- тепловые;
- световые.
Электрохимические аккумуляторы
Этот вид оборудования подразделяется на несколько больших групп:
- электрические;
- газовые;
- обратимые топливные элементы;
- щелочные;
- конденсаторы.
Электрические приборы относятся к самому распространенному типу аккумуляторов. В работе используются свинцовые, никелевые, железные, цинковые, серебряные и другие виды пластин, сделанные из сплавов. В качестве электролита применяется кислоты, растворы магния, кадмия солей и других элементов.
Устройство подобных приборов проще всего объяснить на примере свинцово-кислотных батарей. В работе оборудования используется обратимая реакция взаимодействия жидкости (в данном случае кислоты) и металла – свинца. Благодаря обратимости химических процессов, появляется возможность многоразового использования батареи через разряд-заряд. При пропускании тока в направлении, обратном процессу разряда, аккумулятор заряжается, если подключить оборудование в другую сторону, разряжается.
Химическая реакция идет по следующей схеме:
- анод: Pb+SO42_2е-⇄PbSO4;
- катод: Pb2+SO42-+4H++2е-⇄PbSO4+2H2O.
Как это происходит в реальности? Если к пластинам подключить лампочку, то в аккумуляторе начнется движение электронов, то есть возникнет электрический ток, и пойдет химическая реакция. За счет этого на пластинах образуется сульфат свинца. После подключения источников питания реакция пойдет в обратном направлении. Кислота будет расщепляться, налет –удаляться. Далее при включении лампочки процесс снова идет в обратном направлении.
Важно! При заряде пластины электродов не могут очиститься полностью. Часть налета все равно останется на поверхности. Это приводит к тому, что постепенно емкость оборудования снижается.
Все типы аккумуляторных батарей и электрохимические аккумуляторы можно разделить на три большие группы:
- Ремонтнопригодные – отличаются от других батарей тем, что могут быть разобраны. С другой стороны, эти приборы требуют постоянных проверок уровня электролита. К тому же модели больше подвержены разгерметизации, которая, в свою очередь, может привести к повышению концентрации кислотных паров;
- Необслуживаемые – отремонтировать что-то в конструкции этого оборудования или залить электролит невозможно. При возникновении любых проблем с работой АКБ батарея подлежит полной замене;
- Малообслуживаемые – в оборудовании обеспечен доступ к уровню электролита и возможно его добавление при высыхании батареи.
Существуют определенные разновидности свинцово-кислотных батарей:
- Lead–Acid,
- Valve Regulated Lead–Acid (VRLA),
- Absorbent Glass Mat Valve Regulated Lead–Acid (AGM VRLA),
- GEL Valve Regulated Lead–Acid (GEL VRLA),
- OPzV.
В литий-ионных аккумуляторах используются электроды из алюминиевой (катод) и медной (анод) фольги, которые пропитаны электролитами с литием. Дополнительно используются литийкобальтоксид и графит. Зарядом является ион лития, который заряжен положительно и интеркалируется в процессе химической реакции в кристаллические решетки. При работе аккумулятора ионы преодолевают сепараторный барьер по пути к электроду. Для качественной работы дополнительно используется разделительный сепаратор (обычно бумажный). Этот элемент необходим для воспрепятствования перемещению ионов в произвольном порядке.
В современных литий-ионных батареях в состав катодов и анодов вводятся дополнительные элементы. Поэтому в аббревиатуре названий упоминаются вещества, участвующие в реакции химического разложения:
- LiCoO2 – литий-кобальтовые аккумуляторы отличаются высокой удельной энергией, но имеют небольшую термическую стойкость;
- LiMn2O4, LMO – литий-марганцевые модели необходимы для мощных электроинструментов и транспортных средств. При работе литий-марганцевых аккумуляторов ток заряда существенно возрастает за счет образования трехмерных структур шпинели, улучшающей поток ионов. Но потенциал этих батарей ниже, чем у литий-кобальтовых;
- LiNiMnCoAlO2 или NCA – использование в одном аккумуляторе сразу никеля, марганца и кобальта в составе катода помогает повысить удельную мощность или энергию. За счет этого обеспечиваются оптимальные характеристики для разных режимов эксплуатации. Кроме того, снижение содержания кобальта уменьшает стоимость без потери в качестве;
- LiFePO4 – здесь для катода применяют фосфат. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы отличаются длительным сроком эксплуатации и повышенной безопасностью;
- Li4Ti5O12 – литий-титанатная батарея обладает повышенным ресурсом и способностью работать при температуре до -300С;
- Li-pol, Li-polymer, LiPo, LIP, Li-poly – в этих аккумуляторах в качестве электролита применяется полимер. Поэтому конструкции полимерных батарей могут быть любой формы.
Следующий вид – газовые аккумуляторы, основаны на использовании электрохимического потенциала газов. Во время работы прибора на электродах выделяется газ, который поглощается адсорбентом. Чаще всего для этого используется активированный уголь. Конструкция состоит из угольного электрода, адсорбента и проницаемой мембраны.
Обратимые топливные элементы представляют собой углеродистые нанотрубки с катализаторами, которые погружены в электролит. При заряде вода разлагается на водород и кислород, а при разрядке идет обратная реакция. В системах используется водород высокой степени очистки.
На рисунке показаны три проекции модели самодельного газового аккумулятора, где:
- емкость;
- электролит (в данном случае это дистиллированная вода с солью в пропорции 1 стакан воды/1 столовую ложку соли);
- стержни (подойдет стержень от батареек или карманного фонаря);
- мешочки;
- активированный уголь внутри мешков.
Один из выходов электродов маркируется для обозначения положительного заряда. Для зарядки используют источник питания в 4,5 В, зарядка ведется до достижения напряжения в 2,5 В.
Щелочной тип аккумуляторов (АКБ) использует в качестве анода цинк в порошкообразном состоянии, катода – диоксид марганца, электролита – гидроксид калия. Батареи данного вида представляют собой цилиндрический корпус, в середине которого находится латунный стержень. Этот стержень снимает отрицательный потенциал с цинкового порошка, пропитанного щелочным электролитом. Вся эта паста окружена сепаратором, также пропитанным электролитом. Дальше находится активная масса в виде графита или сажа. Масса смешана с диоксидом марганца. Затем идет оболочка, которая предохраняет батарею от короткого замыкания. Положительный вывод представляет собой стальной никелированный стакан, а отрицательный – стальную окружность. Важным преимуществом щелочных батарей является то, что при работе электролит практически не расходуется.
Следующий вид электрических аккумуляторов – это конденсаторы, которые обладают способностью быстро разряжаться и заряжаться. Эти элементы имеют постоянную или переменную емкость. Конденсаторы применяются для уменьшения перебоев в напряжении, выделении переменной или постоянной составляющей, а, значит, получения необходимых постоянных значений тока.
Механические аккумуляторы
Этот тип аккумуляторных батарей можно поделить на 3 большие группы:
- упругие, где увеличение потенциальной энергии происходит при упругой деформации;
- инерционные – работают на кинетической энергии;
- гравитационные – функционируют за счет потенциальной энергии взаимного положения тел.
К первой группе относят гидро,- и пневматические аккумуляторы, а также резинмоторы, пружинные аккумуляторы и аккумуляторы давления.
Инерционными являются маховики и гироскопы.
Гравитационные – это большие системы, например, гидроаккумуляторная электростанция.
Тепловые аккумуляторы
Несмотря на то, что эти аккумуляторы получили название тепловых, основными приборами здесь являются охлаждающие элементы для бытовых и переносных холодильников, а также приборы, используемые в холодовой цепи для перевозки медицинских препаратов, биологических тканей.
Принцип работы состоит в том, что основное вещество (обычно для этого берут карбоксиметилцеллюлозу) охлаждается до нужной температуры. Затем аккумулятор постепенно отдает накопленный холод окружающей среде и предметам.
Световые аккумуляторы
Так называют уже ставшие привычными солнечные батареи, в которых солнечная энергия преобразуется в постоянный электрический ток. Вид и принцип построения приборов зависит от требуемой мощности оборудования. Солнечные батареи необходимы для портативной электроники и создания систем энергоснабжения зданий.
Магнитные аккумуляторы
Эти устройства также называют спин-аккумуляторами, так как в работе используется туннельное магнитное соединение (ТМС). Конструкция состоит из чередующихся магнитных и немагнитных пленок, в которые встроены наномагниты MnAs. За счет этого чередования возникает ТМС, которое приводит к появлению электродвижущей силы. Таким образом, происходит квантовое туннелирование электронов, и магнитная энергия переходит в электрическую напрямую. Этот вид оборудования только начинает внедряться в производство, поэтому большинство спин-аккумуляторов являются отдельными лабораторными образцами либо выпускаются небольшими партиями.
Потребности в более мощных и специализированных устройствах для хранения и накопления энергии постоянно растут. Поэтому современное производство постоянно предлагает новые виды аккумуляторов и батарей.
Видео
Ученые многих стран мира постоянно разрабатывают новые типы аккумуляторов и занимаются усовершенствованием существующих видов, которые наиболее отвечаю все возрастающим требованиям потребителей и условиям их применения.
Все разновидности аккумуляторов имеют свои положительные и отрицательные характеристики, но до настоящего времени идеальной батареи изобрести пока не удалось.Поэтому в каждом конкретном устройстве используются АКБ с оптимальными характеристиками.
Рассмотрим основные виды аккумуляторов, маркировку, условные обозначения и типы клемм.
У аккумуляторов, изготовленных по различным стандартам, конструктивное устройство клемм отличаются.По европейскому стандарту одним из наиболее распространённых является конус «А». Отрицательный токовывод имеет диаметр 17,9 мм, а положительный — 19,5 мм.
Европейский тип клемм «Е» (винтовые).
АКБ, выпускаемые в странах азиатского региона, имеют тип клемм конус «В». Отрицательный токовывод имеет диаметр 11,1 мм, а положительный ─ 12,7 мм.
Сурьмянистые
Сурьмянистые аккумуляторы относятся к классическим, но также и устаревшим типам АКБ по причине повышенного состава сурьмы (более 5%).
Свинец в чистом виде не используется при изготовлении аккумуляторных батарей, поэтому в пластины для повышения прочности добавляется сурьма. Такая добавка позволяет ускорить процесс электролиза.
При работе батареи повышается температура электролита и вода начинает выкипать, что неизбежно вызывает падение уровня электролита в батарее. При обслуживании аккумуляторной батареи необходимо эпизодически добавлять дистиллят. По этой причине данный тип АКБ относят к классу обслуживаемых, поскольку в процессе эксплуатации необходимо периодически проводить проверку уровня и плотности электролита.
На современном этапе для автомобилей применяются различные типы аккумуляторов, имеющие низкое содержание сурьмы или не имеющие её вовсе. От сурьмянистых аккумуляторов однако не отказались совсем. Их применение осуществляется там, где работает квалифицированный персонал. К достоинствам сурьмяных батарей необходимо отнести невысокую стоимость, доступность в обслуживании. Однако этих достоинств уже оказывается недостаточно, чтобы сохранять лидерство на рынке автомобильных батарей.
Малосурьмянистые
Материалом для пластин является свинец с небольшой примесью сурьмы. Такие батареи универсальны и довольно широко представлены на российском потребительском рынке.
При разработке этого вида батарей ставилась задача — максимальное снижение процесса выкипания электролита. Немаловажный фактор малосурьмянистых АКБ — степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
Малосурьмянистым батареям также необходимо обслуживание, хоть и с довольно меньшей периодичностью, чем сурьмянистым. Небольшое испарение воды все же происходит, поэтому иногда требуется производить контроль соответствия уровня и плотности, добавляя дистиллированную воду.
В силу этих обстоятельств малосурьмянистые АКБ можно назвать малообслуживаемыми. Преимущества: малый уровень саморазряд при хранении, невысокая цена, устойчивость к нестабильности параметров бортовой сети автомобиля, высокой срок эксплуатации. Данный тип АКБ в силу своих преимуществ чаще всего применяются на отечественных автомобилях, которые страдают нестабильностью бортовой сети.
Кальциевые
При производстве кальциевых батарей свинцовые пластины легированы 0,07-0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды (отрицательный или положительный). Виды аккумуляторных батареи такого типа маркируются «Са/Са», что обозначает наличие кальция в составе пластин обоих полюсов. Кальций существенно снижает испарение воды из электролита, в связи с чем отпадает необходимость контроля соответствия уровня и плотности практически отпадает. За счет введения кальция батареи приобретают высокую виброустойчивость и повышается их коррозоустойчивость. Положительный эффект достигается введением в материал пластин небольшого количества серебра. Это повышает КПД и энергоёмкость батареи.
Для кальциевых АКБ противопоказаны глубокие разряды. Настоятельно рекомендуется не разряжать Сa/Сa ниже границы в 70%. Кальциевые батареи теряют около 50% своей энергоёмкости даже после одного полного разряда (уровень ниже 10в). Данный тип АКБ рекомендуется тем, кто часто ездит на значительные расстояния, кому нужны виброустойчивые аккумуляторы, хорошо переносящие постоянные перезаряды (ввиду длительности поездки).
Если вы планируете приобрести для своего автомобиля кальциевую батарею, то необходимо быть уверенным в исправности электроприборов и стабильности напряжения в бортовой сети автомобиля. Немаловажный минус данного типа аккумуляторов — более высокая стоимость в сравнении с сурьмянистыми АКБ. Однако данный недостаток нивелируется высокой степенью надежности и отличным качеством, а также отсутствием периодического контроля электролита.
Подробней о кальциевых аккумуляторах Вы можете почитать .
Гибридные
Гибридные аккумуляторы повсеместно вытесняют кальциевые. Конструктивные отличия состоят в том, что при их производстве объединили две технологии: одна, когда пластины формируется из сплава свинца и сурьмы (положительные электроды), другая же – из сплава свинца и кальция (отрицательные электроды). В результате это дало неоспоримое преимущество в сравнении с кальциевыми батареями.
Для гибридной батареи глубокий разряд перестал быть гибельным. Для тех автовладельцев, которые пользуются автомобилем круглогодично, это теперь позволяет значительно увеличить период службы АКБ. В связи с тем, что практически перестал выкипать электролит, такой тип батареи стал считаться полностью необслуживаемым.
Ключевая особенность гибридных аккумуляторов — лучшая виброустойчивость, которую высоко ценят водители. Такой результат достигнут благодаря толстым литым пластинам, применение которых позволило повысить срок эксплуатации до семи лет.
Ошибочно считать, что гибридные аккумуляторы являются лучшими и их следует применять без учета особенностей каждого автомобиля. К тому же гибридные АКБ до сих пор имеют довольно высокую цену. По гибридной технологии изготавливает автомобильные аккумуляторы кампания A-Mega: Premium, Ultra+, Special. В результате автомобилисты получили батареи с разработками, которые применяются в АКБ более высокой ценовой категории. Маркируются данные аккумуляторы обозначением Са+ или Ca/Sb. .
Гелевые
В начале 21-го века на автомобильном рынке появился новый тип АКБ – гелевые автомобильные аккумуляторы. Отличительная особенность гелевых аккумуляторов — применение гелеобразного (киселеобразного) электролита. Данная технология позволила снизить текучесть электролита, в котором содержится агрессивная серная кислота.
В случае небрежного обращения с аккумулятором возможны повреждения кожи от контакта с электролитом. Чтобы электролит приобрел гелеобразное состояние в него добавляют кремний. К преимуществам гелевых АКБ можно отнести низкую скорость саморазряда. Гелевые батареи относятся к необслуживаемым.
Какие же недостатки имеют гелевые батареи?
- При заряде АКБ напряжение более 14в приводит к вспучиванию оболочки.
- Применение данного типа АКБ для автомобилей не рекомендуется, как и то, что для зарядки необходимы специальные ЗУ, имеющие функцию заряда в щадящем режиме.
- Гелевые батареи не переносят низких температур из-за загустевания электролита и снижения ёмкости аккумулятора.
К сожалению, не смотря на все достоинства, гелевые батареи не являются «вечными», наполненные гелеобразным электролитом они могут беспроблемно работать от восьми до десяти лет, а при правильной эксплуатации и соответствующем обслуживании – и до двенадцати. На гелевые аккумуляторы наносится специальный знак, с включением в него аббревиатуры «GEL».
EFB
EFB — «улучшенная жидкозаполненная батарея». Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, в следствии чего увеличивается их ёмкость. Каждая пластина запечатана в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
Преимущества аккумуляторов EFB:
- работают при температуре от -50 до +60°С;
- стойко выдерживают глубокий разряд;
- минимальное испарение электролита;
- способны выдерживать большое количество циклов заряда-разряда.
АКБ по технологии EFB довольно безопасны и требуют минимального обслуживания. Их можно заряжать в домашних условиях, поскольку электролит не испаряется. Из недостатков можно отметить меньшую отдаваемую мощность, чем у AGM изделий.
AGM
Отличительной особенностью данного типа аккумуляторных батарей является то, что в электролит между пластинами с помощью специальной технологии монтируются стекловолоконные микропористые прокладки.
Предназначение таких прокладок – удержание геля и защита электродов от осыпания. В принципе, основные характеристики батареи GEL и AGM отличаются незначительно. Батареи AGM имеют меньшую стоимость; у них ниже чувствительность к подаваемому напряжению при зарядке, КЗ и температуре окружающей среды. Устойчивы к вибрации и тряске. Они также как и GEL АКБ, практически не требуют обслуживания.
К недостаткам относят меньшее число циклов заряда-разряда (примерно в два раза). Они более чувствительны к глубокому разряду, имеют более быстрый саморазряд. При зарядке необходимо специальное ЗУ. Обычное зачастую не подходит. Отличительной особенностью при обслуживании является необходимость внимательно изучать инструкции перед использованием по предназначению. AGM АКБ чаще применяются в условиях, когда необходим большой период циклов заряда и разряда. При маркировке аккумуляторов данного типа используют аббревиатуру «AGM».
Щелочные
Исторически щелочные источники энергии появились позже кислотных аккумуляторов, вследствие этого некоторые недостатки, свойственные кислотным, не присутствуют у щелочных аккумуляторов. Более того, щелочные АКБ имеют преимущества над кислотными: они переносят перегрузки и короткие замыкания, хорошо работают при различных температурах и т.д. Во всех ЩА (почему они и называются щелочными) применяется растворенная в воде щёлочь.
Что же касается состава химически активной массы пластин, то он может быть различным. При их производстве применяют никель, кадмий, цинк, серебро или др. материалы. От вида использования соответствующих химических элементов в отрицательных пластинах (электродах) щелочные аккумуляторы подразделяются на: цинково-никелевые, кадмиево-никелевые, железо-никелевые, серебряно-цинковые и т.д.
В аккумуляторах щелочного типа количество пластин в положительных и отрицательных электродах не одинаково. В никель-кадмиевом аккумуляторе количество положительных пластин на одну больше количества отрицательных пластин. В щелочных аккумуляторах с никель-железными пластинами больше на одну отрицательную.
По конструкции электродов (пластин) кадмиево-никелевые и железо-никелевые аккумуляторы разделяются на ламельные и безламельные, по способу исполнения — на герметичные и негерметичные.
Наиболее широкое распространение получили ламельные щелочные кадмиево-никелевые и железо-никелевые аккумуляторы, и те и другие схожи как по устройству, так и по действию.
Например, сосуды этих аккумуляторов производятся из никелированного железа при помощи сварки, состав активной массы плюсовых пластин и электролит одинаков. У железо-никелевых и кадмиево-никелевых различаются только отрицательные пластины, но не по устройству, а по составу активной массы. В процессе зарядки и разрядки плотность электролита не изменяется.
Активная масса щелочной батареи заключена в стальные перфорированные пакеты, или ламели, а ламели впрессованы в стальные стойки (рамку) пластин. Для лучшего контакта и электропроводности между активной массой и никелированной основой пластин в активную массу добавляют чешуйки графита или лепестки Никеля.
Номинальное напряжение одного аккумулятора составляет 1,25в. Большинство потребителей работают на напряжении 14-15в., поэтому аккумуляторы представляют из себя сборку. Характерная особенность щелочных АКБ – они не требуют разборки. При грамотной эксплуатации и уходе батареи могут использоваться до 10 лет.
Литий-ионные
Химическое внедрение сторонних атомов и молекул («гостей») в кристаллическую решетку основного материала («хозяина») известно с начала XX века. Название процесса — «внедрение» перевели на латынь и начали говорить не о внедрении-извлечении, а об интеркалации-деинтеркалации (от латинского iniercalarius, другое написание iniercalatus — вставной, добавочный). Осуществлённое во второй половине XX века обратимое проведение этого процесса электрохимическим способом в неводных средах создало экспериментальную основу для разработки нового поколения вторичных источников тока.
Первоначальное название такого аккумулятора — «кресло-качалка» (rocking chair), которое затем устойчиво сменилось на литий-ионный аккумулятор (далее Li-ion).
Впервые коммерциализировала это изделие японская фирма Sony в начале 90-х годов XX века. Новое поколение АКБ стремительно вошло в нашу жизнь и уверенно завоёвывает позиции во всех автономных изделиях, требующих независимого питания электрической энергией. На рынке Li-ion имеют два основных конкурента, Ni-Cd (никель-кадмиевые) и Ni-MH (никель-металлгидридные) аккумуляторы. Основа коммерческого успеха Li-ion АКБ лежит в том, что он появился в нужное время и в нужном месте.
В качестве анодного материала используется широкий круг углеродов, который можно разделить на две группы - углероды с неупорядоченной структурой, так называемые жесткие углероды, и обладающие упорядоченной структурой графиты.
Современными катодными материалами являются литий металл оксиды. К ним относится главным образом литий кобальт диоксид (LiCo02), представляющий собой твердофазное соединение оксидов лития и кобальта. Этот оксид удовлетворяет всем техническим требованиям, но имеет высокую цену, а также токсичен. Это побуждает заменить, хотя бы частично, кобальт на никель, а также на другие металлы, в частности на марганец. В Li-ion используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития типа LiPF6 в смеси эфиров угольной кислоты (карбонатов), например, ЭК и ДМК. Отличительной особенностью литиевых первичных источников тока является длительная сохранность. Диапазон рабочих температур (-20… + 60 °С)
Первичные литиевые источники тока имеют более широкий диапазон рабочих температур по сравнению с традиционными водными элементами. Это обусловлено использованием для изготовления электролитов неводных растворителей с существенно более низкой температурой замерзания и более высокой температурой кипения по сравнению с водой. Однако электропроводность этих электролитов заметно снижается с понижением температуры. Для слаботочных первичных литиевых источников тока это обстоятельство не является критичным.
У Li-ion температурная зависимость электропроводности имеет место не только в электролите, но и в матрицах электродов. Наложение этих явлений приводит к тому обстоятельству, что преимущества неводных электролитов, имеющие место для первичных литиевых элементов, не проявляются в Li-ion батареях. Герметичное исполнение и автоматический контроль состояния аккумулятора обеспечивают его долгую эксплуатацию. Полное отсутствие эффектов памяти и прочих недостатков делает Li-ion АКБ весьма комфортным в использовании.
